📕我是廖志伟，一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》（基础篇）、（进阶篇）、（架构篇）清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、优快云博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。
📘拥有多年一线研发和团队管理经验，研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper)，消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。
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JVM知识体系
类加载机制
Java虚拟机（JVM）的类加载机制是Java运行时环境的核心组成部分。它负责在运行时将类定义的数据从文件系统或网络中加载到JVM中，并将其变成JVM可以使用的Java类型。类加载机制是保证Java程序“一次编写，到处运行”的关键所在，其实现涉及以下几个关键概念：
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类加载器：类加载器负责查找和加载类的二进制数据。Java标准API中提供了三个主要的类加载器：Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和App ClassLoader。Bootstrap ClassLoader使用C/C++编写，负责加载JVM自身使用的核心库，如rt.jar；Extension ClassLoader负责加载Java平台扩展库；App ClassLoader负责加载应用程序类路径上的类。
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类加载过程：类加载过程分为加载、连接和初始化三个阶段。
- 加载：将类的字节码文件从文件系统或网络中读取到内存中，并为之创建一个Class对象。
- 连接：连接过程包括验证、准备和解析三个子阶段。
- 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，包括类文件格式正确性、字节码结构正确性、访问权限正确性等。
- 准备：为类变量分配内存，并将其初始化为默认值。
- 解析：将符号引用转换为直接引用。
- 初始化：执行类的初始化代码，如静态代码块。
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双亲委派模型：双亲委派模型要求除了顶层的Bootstrap ClassLoader以外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。当一个类加载器收到类加载请求时，它首先委派给父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才自己去加载。
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自定义类加载器：自定义类加载器允许用户在类加载过程中插入自己的逻辑。例如，可以实现URL ClassLoader，从指定的URL加载类；或实现文件系统类加载器，从文件系统加载类。
类加载过程
类加载过程分为三个阶段：
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加载：将类的字节码文件从文件系统或网络中读取到内存中，并为之创建一个Class对象。这个阶段主要涉及以下几个操作：
- 通过文件名查找并读取类的字节码文件。
- 解析文件名，生成类的全限定名。
- 创建Class对象，存储类信息。
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连接：连接过程包括验证、准备和解析三个子阶段。其中，验证阶段的主要目的是确保类的字节码文件符合JVM规范。
- 验证：检查类文件的字节码结构是否合法，包括类文件的魔数、版本、常量池等。
- 准备：为类变量分配内存，并将其初始化为默认值。
- 解析：将符号引用转换为直接引用，例如将符号引用的类、接口、字段、方法等转换为直接引用。
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初始化：初始化阶段是执行类初始化代码的过程，包括静态变量的赋值和静态代码块的执行。这个阶段主要涉及以下几个操作：
- 对类变量进行显式初始化，包括赋值操作和代码块执行。
- 调用父类的初始化方法（如果有）。
双亲委派模型
双亲委派模型是一种类加载策略，其中父类加载器负责委派子类加载器的加载请求。这种模型确保了类的加载逻辑的一致性和安全性。
在双亲委派模型中，当类加载器需要加载一个类时，它会首先询问其父类加载器是否已经加载了这个类。如果父类加载器已经加载了这个类，那么就使用父类加载器加载的类；如果父类加载器没有加载这个类，那么就由当前类加载器负责加载。
双亲委派模型的好处是，它确保了类的一致性。在Java程序运行期间，同一个类只会被加载一次，避免了重复加载同一个类的问题。
双亲委派模型也存在一些缺点。例如，如果父类加载器加载的类不符合要求，那么会导致程序运行时出错。为了解决这个问题，Java允许用户自定义类加载器。
自定义类加载器
自定义类加载器允许用户在类加载过程中插入自己的逻辑。这通常用于实现模块化系统，如OSGi。
自定义类加载器可以通过实现java.lang.ClassLoader类来实现。在实现自定义类加载器时，需要重写以下方法：
loadClass(String name)：根据指定的全限定名加载类。findClass(String name)：根据指定的全限定名查找类。
模块化系统（JPMS）
Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它通过模块的概念来组织代码，以提供更好的性能和安全性。
在JPMS中，每个模块都有自己的类路径和资源路径，模块之间通过模块依赖关系来关联。这种模块化的方式有助于减少程序的耦合度，提高程序的复用性。
内存模型
JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：
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堆：堆是JVM内存中最大的一块区域，用于存储所有类的实例和数组的对象。堆内存由JVM自动管理，其大小可以通过JVM参数进行配置。
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栈：栈是用于存储局部变量和方法调用信息的数据结构。栈内存由线程私有，线程之间互相独立。每个线程都有自己的栈内存，当线程执行完毕后，其栈内存将被释放。
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方法区：方法区用于存储类信息、常量、静态变量等。方法区的大小可以通过JVM参数进行配置，也可以使用动态压缩技术来调整方法区的大小。
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PC寄存器：PC寄存器用于存储当前线程所执行的指令的地址。当线程切换时，JVM会保存当前线程的PC寄存器值，并将新的线程的PC寄存器值设置为它的初始值。
内存溢出场景分析
内存溢出通常发生在以下场景：
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创建的对象太多，导致堆内存不足：当应用程序创建大量对象时，如果堆内存不足以容纳这些对象，就会发生内存溢出。
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方法区内存不足，例如加载大量类：当应用程序加载大量类时，如果方法区内存不足以容纳这些类信息，就会发生内存溢出。
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栈内存不足，例如递归调用太深：当应用程序的递归调用太深时，如果栈内存不足以容纳递归调用的栈帧，就会发生内存溢出。
直接内存管理
直接内存管理允许JVM直接从操作系统分配内存，不受Java堆大小的限制。直接内存管理主要用于提高I/O操作的性能。
在Java中，可以通过java.nio包中的ByteBuffer类来访问直接内存。
垃圾回收
垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制。它通过回收不再使用的对象来释放内存，从而避免内存溢出。
垃圾回收算法主要包括以下几种：
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标记-清除：标记-清除算法是JVM中最常用的垃圾回收算法之一。它首先标记所有可达的对象，然后清除未被标记的对象。
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复制：复制算法将对象复制到新的内存区域，只保留一半的对象。这样，每次垃圾回收只需要处理一半的对象，从而提高了垃圾回收效率。
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整理：整理算法移动存活的对象，释放碎片。
垃圾回收算法的选择取决于具体的场景和需求。例如，对于频繁创建和销毁对象的应用程序，可以选择使用复制算法；对于长时间运行的应用程序，可以选择使用标记-清除算法。
GC Roots可达性分析
GC Roots可达性分析是垃圾回收的核心算法，它通过一系列称为GC Roots的对象来标记所有存活的对象。
GC Roots包括以下几种：
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栈帧中的本地变量：包括基本数据类型和引用类型。
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方法区中的静态变量。
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运行时常量池。
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字符串常量池。
-
虚引用。
通过GC Roots可达性分析，JVM可以找到所有存活的对象，从而进行垃圾回收。
分代收集理论
分代收集理论将堆内存分为几个区域，如新生代（Young）和老年代（Old），以优化垃圾回收效率。
新生代主要存放新创建的对象，存活时间较短；老年代主要存放长期存活的对象。
对于新生代，可以采用复制算法进行垃圾回收，以提高垃圾回收效率。
对于老年代，可以采用标记-清除或标记-整理算法进行垃圾回收。
引用类型
Java中的引用类型包括强（Strong）、软（Soft）、弱（Weak）和虚（Phantom）引用。
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强引用：强引用是默认的引用类型。当存在强引用时，垃圾回收器不会回收引用的对象。
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软引用：软引用可以用来引用非必需对象，在内存不足时可以被垃圾回收器回收。
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弱引用：弱引用与软引用类似，但是弱引用可以被垃圾回收器立即回收。
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虚引用：虚引用是一种特殊的引用类型，它没有任何实际作用。虚引用在垃圾回收器开始回收引用的对象时，会收到通知。
垃圾回收算法
垃圾回收算法主要包括以下几种：
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标记-清除：标记-清除算法是JVM中最常用的垃圾回收算法之一。它首先标记所有可达的对象，然后清除未被标记的对象。
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复制：复制算法将对象复制到新的内存区域，只保留一半的对象。这样，每次垃圾回收只需要处理一半的对象，从而提高了垃圾回收效率。
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整理：整理算法移动存活的对象，释放碎片。
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分代收集：分代收集算法将堆内存分为几个区域，如新生代和老年代，以优化垃圾回收效率。
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并发收集：并发收集算法在垃圾回收过程中不会导致应用程序暂停，从而提高应用程序的性能。
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串行收集：串行收集算法在垃圾回收过程中会导致应用程序暂停，但其实现简单，开销较小。
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并行收集：并行收集算法在垃圾回收过程中会使用多个线程同时进行垃圾回收，从而提高垃圾回收效率。
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混合收集：混合收集算法结合了串行收集和并行收集的优点，既可以保证垃圾回收效率，又可以减少应用程序的停顿时间。
并发收集器
并发收集器包括以下几种：
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CMS（Concurrent Mark Sweep）：CMS收集器是一个以最小化停顿时间为目标的收集器。它通过并发标记和清理来减少应用程序的停顿时间。
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G1（Garbage-First）：G1收集器是一个基于区域进行垃圾回收的收集器。它通过将堆内存划分为多个区域，优先回收垃圾较多的区域，从而提高垃圾回收效率。
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ZGC（Z Garbage Collector）：ZGC收集器是一个旨在减少停顿时间的低延迟收集器。它通过将垃圾回收过程分解为多个步骤，并在每个步骤中尽量减少应用程序的停顿时间。
停顿时间控制策略
停顿时间控制策略旨在最小化垃圾回收时的停顿时间。常用的停顿时间控制策略包括以下几种：
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动态调整垃圾回收策略：根据应用程序的性能需求动态调整垃圾回收策略。
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自适应调整：根据应用程序的运行状态自适应调整垃圾回收策略。
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优先级控制：将垃圾回收线程的优先级设置为较低，从而减少垃圾回收对应用程序的影响。
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并行垃圾回收：使用多个线程同时进行垃圾回收，从而提高垃圾回收效率。
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并发垃圾回收：在垃圾回收过程中不暂停应用程序，从而提高应用程序的性能。
性能调优
JVM性能调优包括以下几个方面：
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JVM参数配置：通过设置Xms、Xmx等参数来调整内存大小。
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内存泄漏诊断：使用工具如JProfiler进行内存泄漏诊断。
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JIT编译优化：JIT编译器对代码进行优化以提高性能。
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垃圾回收优化：选择合适的垃圾回收算法和停顿时间控制策略。
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JVM配置文件优化：优化JVM配置文件，如java.vm.options。
Spring Boot知识体系
自动配置
Spring Boot的自动配置功能是基于条件化配置实现的。当Spring Boot启动时，它会根据项目依赖和类路径中的类自动配置Bean。
自动配置的核心原理是Spring的依赖注入和条件化配置。当Spring容器扫描到某些类时，它会根据这些类生成相应的Bean。如果这些Bean满足特定的条件，Spring容器就会自动配置这些Bean。
@EnableAutoConfiguration原理
@EnableAutoConfiguration注解是一个元注解，它通过扫描类路径下的类来启用自动配置。
@EnableAutoConfiguration注解的原理如下：
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Spring Boot启动时，会扫描类路径下的所有带有@SpringBootApplication注解的类。
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如果类路径下存在某些类满足自动配置的条件，Spring Boot会自动配置这些类。
-
自动配置的过程是通过条件化配置实现的。
条件化配置（@Conditional）
条件化配置允许基于特定的条件来启用或禁用配置。
条件化配置的原理如下：
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当Spring容器扫描到带有@Conditional注解的类时，它会根据@Conditional注解指定的条件来决定是否配置该类。
-
条件化配置可以通过实现Condition接口来实现。
自定义Starter开发
自定义Starter可以简化Spring Boot项目的依赖管理。
自定义Starter的步骤如下：
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创建一个Maven项目，并添加Spring Boot的依赖。
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添加自定义的Spring Boot Starter的配置。
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在pom.xml文件中添加依赖关系。
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在Spring Boot的依赖管理中添加自定义Starter。
起步依赖
起步依赖是Spring Boot提供的一组预配置的依赖，它们简化了项目的构建。
起步依赖包括以下几种：
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Spring Boot Starter：包含Spring Boot的核心功能。
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Spring Boot Starter Web：包含Web应用所需的依赖。
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Spring Boot Starter Data JPA：包含JPA数据访问层所需的依赖。
-
Spring Boot Starter Test：包含测试所需的依赖。
依赖管理机制（BOM文件）
BOM（Bill of Materials）文件是一个包含所有依赖关系的文件，它有助于解决版本冲突。
BOM文件的作用如下：
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定义所有依赖关系的版本。
-
防止版本冲突。
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简化依赖管理。
版本冲突解决
版本冲突可以通过以下几种方式解决：
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使用BOM文件。
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使用依赖管理工具，如Maven或Gradle。
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修改依赖关系的版本。
第三方库集成模式
Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括声明式集成和编程式集成。
声明式集成通过使用Spring的自动配置功能来实现。编程式集成需要手动配置Spring容器。
Actuator
Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。
Actuator端点包括以下几种：
-
/health：检查应用程序的健康状态。
-
/metrics：收集应用程序的性能指标。
-
/info：提供有关应用程序的元数据。
-
/dump：提供JVM堆和栈的快照。
健康检查端点
健康检查端点允许用户检查应用程序的健康状态。
健康检查端点通过实现Spring Boot的健康指示器接口来实现。
度量指标收集
度量指标收集允许用户收集应用程序的性能数据。
度量指标收集通过实现Spring Boot的指标接口来实现。
自定义Endpoint开发
用户可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。
自定义Endpoint可以通过实现Spring Boot的Endpoint接口来实现。
配置文件管理
Spring Boot支持多环境配置，如通过application-{profile}.yml文件。
配置文件的加载优先级如下：
-
application.yml
-
application-{profile}.yml
-
application-{activeProfile}.yml
-
bootstrap.yml
-
bootstrap-{profile}.yml
-
bootstrap-{activeProfile}.yml
配置加载优先级
配置文件的加载优先级如下：
-
application.yml
-
application-{profile}.yml
-
application-{activeProfile}.yml
-
bootstrap.yml
-
bootstrap-{profile}.yml
-
bootstrap-{activeProfile}.yml
动态配置刷新
Spring Boot支持动态配置刷新，允许在运行时更新配置。
动态配置刷新通过Spring Cloud Config和Spring Cloud Bus来实现。
监控与日志
Spring Boot集成了一系列监控和日志工具，如Micrometer和Logback/SLF4J。
监控工具包括以下几种：
-
Micrometer
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Prometheus
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Grafana
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ELK
日志工具包括以下几种：
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Logback
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SLF4J
-
Log4j2
分布式链路追踪
Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。
分布式链路追踪可以帮助用户跟踪分布式系统中的请求路径，从而提高系统的可观测性。
扩展机制
Spring Boot提供了一系列扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。
自定义AutoConfigurationBean可以通过实现Spring的AutoConfigurePackage接口来实现。
生命周期扩展点可以通过实现Spring的生命周期接口来实现。
响应式编程支持
Spring Boot支持响应式编程，如使用Reactor和Project Reactor。
响应式编程可以帮助用户构建高并发、高性能的应用程序。
通过以上知识点的串联，我们可以看到JVM和Spring Boot在Java生态系统中的紧密联系。JVM为Java应用提供了运行时环境，而Spring Boot则在此基础上提供了快速开发和部署的框架。这些知识点的学习和应用，对于Java开发者来说至关重要。
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